Efeito de Parâmetros Geométricos na Propagação de Fendas por Fadiga

Abstract

A indústria tem vindo a adotar a utilização de máquinas como forma de produzir com um rendimento cada vez maior, reduzindo custos e aumentando a competitividade num meio cada vez mais exigente. Esta necessidade de apresentar constantes aumentos de produtividade, leva a que as máquinas estejam sujeitas a novos tipos de esforços e modos de falha. O aparecimento de esforços cíclicos evidenciou a necessidade de atualizar os tipos de dimensionamento, para que estes incluam modos de falha como a fadiga. O estudo da propagação de fendas por fadiga é feito, recorrendo tipicamente a curvas do tipo da/dN-∆K que permitem prever a vida de fadiga do componente. Como se sabe, o parâmetro K tem caraterísticas exclusivamente linear elásticas. A sua utilização para analisar fenómenos como a fadiga, poderia, à partida, constituir um paradoxo uma vez que a fadiga representa um fenómeno com caraterísticas maioritariamente plásticas e irreversíveis, no entanto não é o que se verifica na prática, apesar de ter algumas limitações. Essas limitações levaram ao surgimento de novas abordagens no projeto à fadiga, nomeadamente alguns parâmetros como a acumulação plástica na ponta da fenda.Assim sendo, o objetivo principal desta dissertação, em primeiro lugar é a comparação de resultados numéricos obtidos para a liga de alumínio 7050-T7451, variando diferentes parâmetros geométricos como a razão de tensões (R), comprimento inicial de fenda (a0), direção de obtenção do provete (S-T e L-T) e o tipo de provete (M(T) e C(T)). Em segundo lugar, a comparação entre resultados experimentais e numéricos num provete C(T) com um furo na trajetória de propagação da fenda, sendo este um teste ao método stop hole. Utilizando o programa de elementos finitos DD3IMP, foram efetuadas 26 simulações para provetes do tipo C(T), considerando três razões de tensão diferentes, bem como quatro comprimentos iniciais de fenda diferentes para ambas as direções de obtenção do provete. Foram analisadas 26 simulações para provetes do tipo M(T), as quais consideram igualmente três razões de tensão, quatro comprimentos de fenda nas duas direções. Relativamente à parte experimental, foram efetuados três ensaios experimentais de propagação de fendas por fadiga, todos em provete C(T) para o mesmo material utilizado nas simulações, razão de tensão de 0,05, um deles segundo S-T e dois deles segundo a direção L-T. O ensaio com o furo, foi efetuado segundo L-T com o mesmo R.De um modo geral, os resultados obtidos foram coerentes com aqueles que já existem publicados na literatura, o aumento de R provoca o aumento do valor de da/dN para ambos os tipos de provete analisados, as curvas da/dN-∆K são semelhantes para ambos os tipos de provete, e a direção L-T apresenta valores mais baixos de da/dN, relativamente à direção S-T. Por último, a validação de resultados numéricos, por via da comparação com aqueles obtidos experimentalmente revela que a simulação numérica é um método confiável e credível, o que era aquilo que se esperava ao fazer esta comparação.

The industry has been adopting the use of machines as a way to increase productivity, reduce costs, and enhance competitiveness in an increasingly demanding environment. This need for constant productivity improvements has exposed machines to new types of stresses and failure modes. The emergence of cyclic stresses has highlighted the need to update the design methodologies to include failure modes such as fatigue. The study of fatigue is typically conducted using da/dN-∆K curves, which allow for the prediction of the fatigue life of a component. As is known, the parameter K exhibits exclusively linear elastic characteristics. Its use in analysing phenomena like fatigue could, in principle, pose a paradox since fatigue represents a predominantly plastic and irreversible phenomenon. However, this is not the case in practice, despite some limitations. These limitations have led to the development of new approaches in fatigue design, including parameters such as plastic accumulation at the crack tip.Therefore, the main objective of this dissertation is, first and foremost, the comparison of numerical results obtained for the 7050-T7451 aluminium alloy, varying different geometric parameters such as stress ratio (R), initial crack length (a0), specimen orientation (S-T and L-T), and specimen type (M(T) and C(T)). Secondly, the comparison between experimental and numerical results on a C(T) specimen with a hole along the crack propagation path, which serves as a stop hole test. Using the finite element program DD3IMP, 26 simulations were performed for C(T)-type specimens, considering three different stress ratios and four different initial crack lengths for both specimen orientations. A total of 26 simulations were analysed for M(T)-type specimens, also considering three stress ratios and four crack lengths in both orientations. In terms of the experimental part, three fatigue crack propagation tests were conducted on C(T)-type specimens using the same material as in the simulations, with a stress ratio of 0.05—one test according to S-T and two tests according to the L-T direction. The test with the hole was performed in the L-T direction with the same stress ratio.In general, the obtained results were consistent with those already published in the literature. An increase in R leads to an increase in the value of da/dN for both types of analysed specimens. The da/dN-∆K curves are similar for both types of specimens, and the L-T direction exhibits lower da/dN values compared to the S-T direction. Finally, the validation of numerical results through comparison with experimentally obtained results indicates that numerical simulation is a reliable and credible method, as expected in this comparison.